高 燕

(西安職業(yè)技術學院,陜西 西安 710071)

工業(yè)鍋爐在運行過程中,對鍋爐的管道要求較高,需要鍋爐的壓力、溫度、流量等參數(shù)穩(wěn)定在合適的范圍內。但鍋爐的現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣,傳統(tǒng)控制方式存在故障診斷預警能力差、穩(wěn)定性低等問題。隨著我國科技的飛速發(fā)展,衍生出一種劃時代的新型網(wǎng)絡——物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)集成了計算機控制、微電子以及移動互聯(lián)網(wǎng)等多項技術,該技術憑借自身控制精度高、可靠性強等優(yōu)勢,被廣泛應用于多個領域。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于鍋爐控制中,可實現(xiàn)鍋爐運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控,同時在無人值守的情況下完成鍋爐的能效監(jiān)測。

1 Android操作系統(tǒng)平臺概述

Android操作系統(tǒng)實際上是一種開放性移動軟件,為移動終端專門創(chuàng)造,可準許所有用戶在Android操作系統(tǒng)中完成終端設備的開發(fā)。通過對Android操作系統(tǒng)的組成結構進行分析可知,該系統(tǒng)主要包括四部分：操作系統(tǒng)、用戶界面、中間件以及應用軟件。

1.1 應用程序層

Android操作系統(tǒng)采用Java語言作為載體,以此實現(xiàn)系統(tǒng)內部全部應用程序的編寫,該系統(tǒng)安裝了核心應用集合,該集合涵蓋了日歷、地圖等部分。該系統(tǒng)在Java語言的支持下,可有效提高程序編寫的精準性[1]。

1.2 應用程序框架層

Android操作系統(tǒng)內包含應用層API與傳感器兩大功能,該系統(tǒng)在兩種功能的支持下,有利于提高Android的兼容性。Android系統(tǒng)內全部應用程序均為服務與系統(tǒng),例如視圖、內容供給者等。

1.3 C/C++庫

Android操作系統(tǒng)中包含C/C++庫集合,C/C++庫在系統(tǒng)的主要任務是為系統(tǒng)組件提供服務,通過該方式滿足開發(fā)者的實際需求,在應用程序框架的基礎上,為開發(fā)者提供幫助,便于用戶以最快的速度完成終端開發(fā)。

1.4 Android運行

Android中含有核心庫集合,可為開發(fā)者提供更多可使用的多樣性功能,該功能的使用需在Java語言核心庫中實現(xiàn)。不同的Android應用程序均為Dalvik虛擬機的實例,在實際運行過程中,可在系統(tǒng)中處于獨立狀態(tài)。

1.5 Linux內核

Android操作系統(tǒng)在為開發(fā)者提供核心服務時,將Linux內核作為系統(tǒng)的載體,Linux內核指的是安全、內存以及網(wǎng)絡等。Linux內核可作為硬件與軟件之間的抽象層,在實際應用過程中,為向上層提供統(tǒng)一化、標準化的服務,可潛藏硬件的細節(jié)部分[2]。

2 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構設計

通常情況下,工業(yè)鍋爐主要由空氣管路、燃氣管路、執(zhí)行機構以及點火裝置等部分共同組成。本研究在建立工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時,將鍋爐的運行特點以及對安全生產的實際要求作為主要依據(jù),并充分結合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的相關技術規(guī)范,以此實現(xiàn)系統(tǒng)的架構設計。該系統(tǒng)的結構如圖1所示[3]。

圖1 工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結構圖

通過對系統(tǒng)的整體結構進行分析可知,該系統(tǒng)共包含三層,從下而上依次為控制器層、網(wǎng)絡服務層以及移動應用層。其中,控制器層包含多種類型的控制器,可為系統(tǒng)不同模塊提供相應的控制器;網(wǎng)絡服務層的核心設備為物聯(lián)網(wǎng)服務器,該設備可對鍋爐進行實時控制;移動應用層為系統(tǒng)的核心部分,該層結構包含了多個Android移動客戶端。

2.1 控制器層

該層結構為系統(tǒng)的最底層,在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中主要負責實時采集工業(yè)鍋爐的模擬量PV數(shù)據(jù),PV數(shù)據(jù)包括鍋爐的溫度、壓力以及流量等。本研究對該層進行設計時,將其劃分為傳感模塊、執(zhí)行模塊以及網(wǎng)絡模塊等部分。為保證該層的控制精準性,成功采集鍋爐的PV數(shù)據(jù)后,在系統(tǒng)內遠程預設SV數(shù)值,并將SV數(shù)值作為主要依據(jù),對PV與SV數(shù)值之間存在偏差進行判斷。當偏差達到系統(tǒng)的閾值時,需要采用PID控制算法完成偏差的計算,利用驅動執(zhí)行模塊對PV與SV數(shù)值的偏差進行適當?shù)恼{整,使二者處于動態(tài)平衡狀態(tài)?？刂破髟跍y量與控制工業(yè)鍋爐時,可通過RS485串口建立網(wǎng)絡模塊與網(wǎng)絡服務層之間的通信連接,通過該方式將該層采集的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡服務層[4]。

2.2 網(wǎng)絡服務層

該層結構為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中間層,其核心設備為物聯(lián)網(wǎng)服務器,在系統(tǒng)中主要負責建立與控制器層的通信連接,并向移動應用層發(fā)送采集數(shù)據(jù)。在建立與控制器層的通信連接時,可通過RS485串口進行實現(xiàn)。通信建立過程中需要實時采集各個控制器的測量數(shù)據(jù),采集完畢的數(shù)據(jù)應上傳至移動應用層,移動應用層可結合該數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡服務層下達控制指令,由網(wǎng)絡服務層對執(zhí)行機構進行實時控制[5]。

網(wǎng)絡服務層可對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理,處理后的數(shù)據(jù)存儲至本地BDE數(shù)據(jù)庫中,將工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)以及濾波后的數(shù)據(jù)顯示在本地工藝畫面中,同時該畫面也可動態(tài)顯示鍋爐的運行參數(shù)。

2.3 移動應用層

該層為鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵APP程序,本研究在對該結構進行設計時,將Android平臺作為設計基礎,使移動應用層可在該平臺上運行。用戶可將移動應用APP程序安裝到智能手機或者平板電腦中,便于不同的用戶隨時遠程查看鍋爐的運行情況,并對鍋爐的各項性能指標進行控制與管理。該層可使用以太網(wǎng)或者移動4G網(wǎng)絡建立通信,但鍋爐為特種設備,采用4G網(wǎng)絡建立通信連接時,該網(wǎng)絡不允許遠程控制鍋爐設備,僅支持遠程對鍋爐的運行狀態(tài)進行查看。為此,選用以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡,建立不同設備之間的通信[6]。

將Android平臺作為系統(tǒng)的載體,建立完善的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),用戶可通過該手機端遠程查看鍋爐的運行狀態(tài),并管理與控制鍋爐的運行參數(shù)。本研究為有效系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可維護性與可擴展性,采用Modbus TCP/IP協(xié)議設計移動應用層與網(wǎng)絡服務層。

3 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)程序設計

3.1 控制器節(jié)點程序

控制器節(jié)點指的是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知、通信以及執(zhí)行部件,本研究對控制器節(jié)點程序進行誰是,將其設計成MEMS智能儀器,該儀器主要由CPU、存儲器、USB以及傳感器等部分共同組成。為保證該程序的控制精度,選用AVR單片機作為程序的CPU,該單片機內部含有增強型內置Flash,具有超高的控制精度。

控制器節(jié)點實際上是AVR單片機程序,該程序主要在C++語言的基礎上編寫,并采用多個函數(shù)對控制器節(jié)點進行循環(huán)控制。為保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可穩(wěn)定地運行,在系統(tǒng)控制器中增加了Watch-Dog電路,該電路主要負責實時監(jiān)測控制器對鍋爐運行狀態(tài)的控制情況。當系統(tǒng)控制器出現(xiàn)死機的現(xiàn)象時,系統(tǒng)可自動對控制器進行復位操作,最大限度地降低因控制器死機引發(fā)鍋爐發(fā)生故障的概率,有利于提高鍋爐的安全性。

3.2 IPC采集控制程序

該控制程序位于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中間位置,本研究在設計采集控制程序時,利用RS485串口將該程序連接至現(xiàn)場各個控制器中,并通過以太網(wǎng)將采集的控制器數(shù)據(jù)傳送至移動服務層的Android手機客戶端。網(wǎng)絡服務層的功能模塊如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡服務層的功能模塊框圖

該系統(tǒng)的軟件結構由6個模塊共同組成：串口下行通信、鍋爐工藝、數(shù)據(jù)存儲、動態(tài)曲線、PID參數(shù)以及移動上行通信模塊。在設計軟件系統(tǒng)時,將Borland-Delphi6.0作為系統(tǒng)的開發(fā)工具,該系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)均存儲在Paradox DB桌面中,同時選用Windows7專業(yè)版作為操作系統(tǒng)[7]。

3.3 Android平臺APP

Android平臺APP的設計為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵部分,該APP可充分體現(xiàn)出鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)遠程操控的便捷性。Android平臺APP的功能模塊與網(wǎng)絡服務層的功能模塊內容存在一定相似性,均采用Socket完成通信程序的編程,同時也可在標準的Modbus TCP/IP協(xié)議基礎上完成編程。本研究在對Android平臺APP進行設計時,采用Socket作為APP的Client端,并采用多線程的方式完成系統(tǒng)編程。

APP通信Thread的實現(xiàn)步驟為：①將Android平臺客戶端作為主要設計對象,創(chuàng)建出該客戶端的Socket對象;②設置遠程服務端Socket的IP地址與Port端口號;③由客戶端向服務端發(fā)送請求指令,以此實現(xiàn)Connect的連接;④若客戶端成功得到服務端的連接反應,則需要向服務端發(fā)出循環(huán)讀寫交互命令,等待通信任務完畢后,即可轉入步驟⑥;⑤若客戶端未能成功接收服務端的連接反應,則需要轉到步驟①,重新在服務端建立連接,產生該現(xiàn)象的主要原因是通信錯誤或者連接超時;⑥關閉Socket通信連接。通信Thread的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 通信Thread的實現(xiàn)流程圖

4 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 實時監(jiān)測功能

該功能在鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中主要負責實時監(jiān)測既定范圍內鍋爐的工作狀態(tài),監(jiān)測過程中產生的數(shù)據(jù)信息可用于能效分析與性能評估。為最大限度地提升系統(tǒng)的能效監(jiān)督管理水平,用戶在操作系統(tǒng)時,可將現(xiàn)場安裝的監(jiān)測終端和網(wǎng)絡監(jiān)管平臺作為載體,以此實現(xiàn)鍋爐動態(tài)數(shù)據(jù)的全方位觀察,同時可通過該功能充分了解鍋爐的運行狀態(tài)。本研究對該功能進行設計時,對于工業(yè)鍋爐相關參數(shù)與能效產生的動態(tài)變化,可采用圖形化的方式進行展示,有利于操作者對鍋爐的狀態(tài)進行適當?shù)恼{整,以此維持鍋爐的穩(wěn)定運行。為直接衡量鍋爐的經(jīng)濟性與節(jié)能性,將鍋爐監(jiān)督管理的需求作為主要依據(jù),合理地設置參數(shù)標準值,便于用戶獲取實時數(shù)據(jù)和標準值[8]。

4.2 預警功能

當鍋爐處于運行狀態(tài)時,需要預警功能維持鍋爐的安全性。預警功能在系統(tǒng)中主要負責全程檢測鍋爐的排煙溫度、煙氣成分以及熱水溫度等性能指標,同時可精準判別現(xiàn)場設備的狀態(tài),在發(fā)現(xiàn)異常傳輸?shù)那闆r時,將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。預警功能可在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設定的閾值或者實效低于閾值時,采取相應的報警模式,提示操作人員對設備的故障進行查看。

預警功能可對閾值進行設定與更新,并且該功能可查詢和顯示報警記錄。該模塊的報警閾值由操作人員自行設定,也可將國家相關標準作為主要依據(jù),以此完成報警閾值的設定。系統(tǒng)可充分結合設定值對鍋爐的運行參數(shù)進行判斷,若監(jiān)測參數(shù)超過閾值時,終端可采用聲光報警的方式向工作人員發(fā)送信號,并將異常數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。用戶可通過Android平臺客戶端查詢歷史報警記錄,并對鍋爐的異常情況進行分析。

4.3 歷史數(shù)據(jù)管理功能

該功能在系統(tǒng)中主要負責管理與統(tǒng)計鍋爐的歷史運行數(shù)據(jù),用戶在管理鍋爐的運行數(shù)據(jù)時,可利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實時查詢鍋爐的運行數(shù)據(jù),鍋爐的能效變化趨勢可以圖形的形式呈現(xiàn),便于用戶精準掌握鍋爐的能效水平。為方便用戶對鍋爐的運行與保養(yǎng)狀況進行全面了解,在該功能模塊內部增加了報警記錄與設備維修記錄的查詢功能。歷史數(shù)據(jù)管理功能可將用戶的需求作為主要依據(jù),為用戶提供歷史數(shù)據(jù)報表打印的服務,用戶可在系統(tǒng)中根據(jù)數(shù)據(jù)的時間與類型進行自定義查詢。同時可通過表格的方式統(tǒng)計和選擇歷史數(shù)據(jù)[9]。

4.4 能效綜合評價功能

為進一步分析鍋爐監(jiān)測數(shù)據(jù),本研究設計了能效綜合評價功能,該功能可全方位地評價鍋爐的能效與運行管理水平。同時設計了各項指標,主要包括實時能效、能效綜合評價以及周期性能指標。為精準獲取鍋爐的實時熱效率,將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為熱效率計算的主要依據(jù),并完成鍋爐能效的計算。當鍋爐能效與系統(tǒng)設定值之間存在較大差異時,系統(tǒng)可自動向操作人員發(fā)送報警信號,提示操作人員及時調整鍋爐運行參數(shù)。

5 結 語

本研究為實現(xiàn)工業(yè)鍋爐能效的在線監(jiān)測,將物聯(lián)網(wǎng)技術作為核心技術,并將Android操作系統(tǒng)作為載體,設計出鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)對鍋爐的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測,有利于真實地反映出鍋爐的能效,同時可提高節(jié)能診斷效率與準確性,為鍋爐的節(jié)能優(yōu)化運行提供技術支撐。該系統(tǒng)具有可擴展性、可靠性等特點,將其應用于工業(yè)領域,可有效改變工業(yè)鍋爐的不利現(xiàn)狀,并且具有非常突出的實踐效果。